通过使用非线性变换量度改进接收机 与发射机的同步 本发明一般涉及用于使接收机(例如是可在蜂窝通信系统中工作的无线电话)与向接收机发射信号的发射机同步的同步方法和装置。具体地，本发明涉及一种同步方法和相关电路，其中向接收机发射经过数字编码的同步信号、并且接收机利用该同步信号来使接收机与发射机同步。更具体地，本发明涉及这样一种同步方法和相关电路，其中，同步是通过使用非线性变换量度(例如对数量度)、并籍此降低同步计算中误差成分的影响以及减少获得同步所需的计算和时间来实现。
该同步信号的特征是允许接收机通过降低了复杂度的相关处理来对它们进行检测。接收机的同步是快速完成的，只要求进行减少的几次计算来检测同步信号。
同步信号有很高的余量以便接收机当信号在具有高度衰减或多径失真的通信信道上发射时也能对它们进行检测。因为同步信号是数字编码的，所以信号可以用几种常规蜂窝通信系统中使用的时分复用(TDM)通信方案发射。因此，本发明有利地体现在蜂窝通信系统、例如陆地蜂窝通信系统或卫星蜂窝通信系统中。当蜂窝网络基站在选中的时隙中向无线电话发射以形成控制信道上产生的控制信号部分时，无线电话响应于对同步信号的检测，从而与发射机、接收控制信号地其它部分、和其他数据或语音信道上产生的其它信号同步。
发明的背景
通信系统至少由通过通信信道互连的发射机和接收机构成。发射机发射的通信信号是在通信信道上发射以被接收机接收的。
无线通信系统是一个其中的通信信道是由电磁频谱的一个或多个频带构成的通信系统。因为不要求在发射机和接收机之间形成固定或硬线连接，无线通信系统可以方便地用于这种固定或硬线连接不方便或不实用的情况。
蜂窝通信系统是一种无线通信系统。当蜂窝通信系统的基础设施(在下文中称为网络)在整个地理区域中安装完毕后，蜂窝系统的用户位于系统包围的地理区域中的任何位置时，通常都能够在系统中进行电话通信。
当常规陆地蜂窝通信网已经在全球的相当一部分中安装的同时，也有一些区域没有这样的网络。例如，在低人口密度地区，陆地蜂窝通信网络可能不是商业上可行的。同时，现有陆地蜂窝网络也是根据各种不同标准建造的。
可以工作在一种通信系统中的无线电话，即手持或蜂窝电话，有时不能在其它系统中工作。即使在已经安装了蜂窝网络的区域中，如果用户试图使用仅为在另一种蜂窝通信网中使用构造的无线电话，该用户仍可能不能进行通信。
被设计成通过地球静止卫星提供电话覆盖的卫星蜂窝通信系统(如东南亚国家联盟(ASEAN)蜂窝卫星(ACeS)系统)已经提出：其在实现后将允许用户几乎在任何位置通过卫星蜂窝通信系统进行电话通信。通过在基于卫星的收发机和无线电话之间发射下行链路信号以及在无线电话和基于卫星的收发机之间发射上行链路信号，在无线电话和基于卫星的收发机之间将可以进行电话通信。通过在基于卫星的收发机和地面站之间实现附加通信链路，无线电话的用户将能够通过地面站和基于卫星的收发机与另一方进行电话通信。
由于数字通信技术固有的效率，很多已经安装的蜂窝通信网已经转换为使用数字通信技术，并且很多新提出的蜂窝通信系统(如ACeS系统)也被设计为使用数字通信技术。其它通信系统类似地使用或计划转换为使用数字通信技术。
为了正确操作，特别是当通信系统使用数字通信技术时，无线电话必须与蜂窝通信网的网站同步。按照惯例，网站向无线电话发射同步信号以便无线电话与网站同步。其它通信系统出于类似目的而类似地使用常规同步信号。
在TDM通信系统如时分多址(TDMA)系统中，通信是使用帧来实现的。在TDMA中，给定的频带被分为一系列离散帧，每一个帧中具有一系列离散的时隙，每个时隙被不同的用户使用。虽然很多系统使用每帧8时隙，但是ACeS为每个时隙提供多个用户，实际上称为16-或32-时隙系统。在每个时隙中，信息可以根据具体的数字比特位置以突发的形式发射。普通突发是语音或数据信息的传输。其它突发类型包括高功率同步突发，成组的这种突发形成前述同步信号，优选地不均衡地跨越复帧中的多帧，即ACeS系统中的102连续帧。然而，这种信号中的初始高功率同步突发被放置在复帧中第一帧的开始，表示复帧的边界，而其它构成高功率广播突发的同步突发(通常是3个)，则不均衡地位于复帧中与初始同步突发有已知偏移的位置。
然而，很显然，无线电话或蜂窝电话在初始上电时与发射机发射的数字比特流是不同步的，并且必须在那个比特流中捕获复帧边界，即，初始同步突发的开始。一旦发现第一同步突发和复帧边界，接收机随即与传输同步。然而，传输的很多复帧可能会发散，并且获得同步之前要完成大量的处理步骤。
按照惯例要进行两种同步：粗同步和细同步。粗同步用于将选择的比特流限窄在希望包含初始高功率同步突发的连续比特的特定部分。然后细同步通过将所选的连续比特段与一个比特图样相关或匹配，并且逐比特移位该(比特)段直到获得相关或同步来确定初始同步突发，从而在那个部分中的确切位置。然而，本发明的焦点是更快地获得粗同步。
除同步突发以外，数字比特流中还会出现干扰粗同步过程的其它高功率突发。同时，特别是在ACeS环境中，可能会出现高功率寻呼突发以用于联系难以到达的用户。在比特流中出现的这些其它的高功率非同步突发会使同步的捕获变得复杂。通常，粗同步是在一阶数N个操作中获得的，其中N主要与出现的噪声量和非同步高功率突发量有关。举例而言，当发射到接收机的信号受到很大的损耗或多径失真时，由于比特流在传输到接收机期间可能失真或损耗，更难同步。
然而不管在发射的比特流中会出现这些其它非同步高功率突发，要求更少的处理步骤和时间获得同步的方法都将是有利的。
在同时提交并结合在这里作为参考的、题为“SynchronizationMethod，and Associated Circuitry，for Improved synchronizationof a Receiver with a Transmitter Using Early-Late Testing DuringCoarse Synchronization(在粗同步期间利用迟-早检测来改进接收机与发射机之间的同步的同步方法和相关电路)”的、有关的本发明人共同转让和共同未决的专利申请中，阐述了一种减少处理步骤以使接收机与发射机如蜂窝通信系统中的无线电话同步的技术。根据相关中请，发射机将数字编码的同步序列发送到接收机，接收机将它自己与按选定格式发送的同步序列同步。
具体地，相关专利申请在粗同步期间使用功率分布方法，在多个仓(bin)、即时隙的子单元中的每一个计算累计能量，并且通过使用高功率同步突发之间间隔的先验知识，合并仓中累计的能量，确定正确的复帧边界并且藉此促进同步。例如，在信噪(C/N)比等于-10dB时，噪声方差是信号强度的10倍，已经发现使用前述功率分布方法，可使电话在10个复帧中获得粗同步。因此，获得同步所需的时间大约是4.7秒(10×0.47秒每ACeS复帧)。
因此，本发明的一个目的是提供这样一种技术，其中通过在粗同步计算中降低误差成分影响并且降低获得粗同步所需的复帧数，藉此减少获得同步所需的时间从而改进同步性能。
本发明的一个更具体的目的是使用非线性变换量度完成前述计算并减少时间，更具体地，通过使用对数变换量度压缩计算量。
发明概要
本发明有利地提供一种用于获得发射机和接收机(例如是可工作在蜂窝通信系统中的无线电话)的粗同步的改进的同步方法和相关电路。
发射数字编码的同步信号，接收机接收并使用非线性量度(如对数量度)来使其自身与这些信号粗同步。通过降低同步信号的时间抽样中出现的误差成分的影响，可减少获得发射机初始粗同步所需的计算次数和时间量。
本发明的电路和它相关的同步方法可以很方便地用于蜂窝通信系统以使无线电话与网站同步。在陆地蜂窝通信系统中，同步信号是作为蜂窝基站产生的控制信号的一部分发射到无线电话的。在卫星蜂窝通信系统中，同步信号构成网络控制中心或地面站产生的控制信号的一部分，并且是通过基于卫星的收发机发射到无线电话的。
因此，在本发明的这些和其它方法中，一种方法和相关的电路可用于使接收机与发射机同步。接收机和发射机是通过通信信道连接的。控制信号在通信信道上从发射机发射。控制信号根据复帧格式而格式化，并且在其中包括同步信号。在接收机中检测构成控制信号的数字比特流，并且接收机累计多个高功率突发仓中的能量，并且使用非线性功率量度、具体地是对数功率量度来累计那些仓中的能量，藉此可通过更小的计算误差、更少的计算和更短的时间而在接收机和发射机之间获得改进的粗同步。
通过下面简要概述的附图、下面本发明目前优选的实施例的详细描述、以及附属的权利要求书，可以对本发明及其范畴获得更彻底的理解。
附图的简要描述
图1说明表达本发明一个实施例的电路和方法的卫星蜂窝通信系统的功能框图；和
图2说明根据本发明的一个实施例的无线电话的一部分的功能框图。
本发明的详细描述
首先参考图1，由10总的表示的卫星蜂窝通信系统包括本发明实施例的电路和实现方法。在所说明的实施例的通信系统10构成卫星蜂窝通信系统同时，一开始就应该理解本发明的电路和方法可以类似地表达为其它类型的通信系统，包括诸如陆地蜂窝通信系统或其它类型的无线电话通信系统。
通信系统10包括连接到有线电话网的至少一个地面站12。这个连接在图中由地面站12延伸出的线14表示。
地面站12包括与基于卫星的收发机16之间互相收发通信信号的收发机电路。基于卫星的收发机不但可以与地面站12而且可以与其它基于陆地的装置如网络控制中心18的收发机电路之间互相收发通信信号。收发机16在这里主要用作中继站，将地面站12产生的信号中继到网络控制中心18，反之亦然。收发机16优选地还包括控制电路，允许在其上向收发机16发射信号的频道被进行中继、以及被加以改变，以便最有效地利用通信系统10中为通信分配的频道。
网络控制中心18的收发机电路能够与其它基于卫星的收发机，如收发机22之间互相收发通信信号。与收发机16类似的收发机22与包括诸如手持电话或蜂窝电话24在内的基于陆地的收发机收发之间互相通信信号。同样，收发机22主要用于中继发射给它的通信信号，并且它同样优选地包括控制电路，用于选择将向它发射的信号中继到其它通信站的频道。
根据通信系统10的通信允许无线电话24的用户位于全球广大区域中的任何位置时进行电话通信。只要无线电话24的用户位于允许与基于卫星的收发机传输并接收通信信号的位置，用户就能够与另一部无线电话的用户或常规有线网络的电话装置进行电话通信。
但是，为了正确操作，无线电话24必须与蜂窝网络同步。一旦正确同步，就可以在无线电话和蜂窝网络之间进行语音或其它通信。
如前述相关申请中描述的使用线性功率分布方法获得接收机(如无线电话24)和发射站(如蜂窝网络)之间的粗同步。根据这种方法，使用通信信道中发射的同步序列的能量仓计算完成同步，并且通过使用高余量、高功率同步信号在出现显著损耗或多径失真的情况下确保足够的传输。
本发明的通信系统10所示范的卫星通信系统与相关申请(即一个在通信系统的卫星和无线电话24之间发射功率信号的通信系统)中的描述相似。因此，信噪功率比，C/N，典型的是一个相对低的值。如果无线电话的天线不是定向地检测向它发射的最佳信号，无线电话实际接收信号的信噪比更要降低。在所提出的ACeS卫星蜂窝通信系统中，要求所发射的寻呼信号在平均加性高斯白噪声(AWGN)上有30dB的余量。一般，这种要求相当于检测具有大约-10dB C/N比的寻呼信号的无线电话灵敏度。因为无线电话必须与蜂窝网同步以正确接收寻呼信号，通信系统要求具有高余量同步能力，以在出现这些其它高功率非同步信号时实现同步。应该理解，虽然初始同步突发(即划分复帧边界的那一个)是高功率同步突发，其余3个“同步”突发可以构成高功率广播信号，因此同步图样可以包括这种作为同步突发的广播信号。
本发明提供一种可更佳地区分前述非同步高功率突发和想要的同步突发的、允许无线电话与网络同步的改进方法和装置。在本发明的优选实施例中，同步是分成两步处理。首先实现粗同步，其后完成细同步。粗同步期间，高功率同步(HPS)突发，根据所讨论的，也可以伴随一些高功率广播(HPB)突发，在出现无关高功率突发(例如，由于寻呼)的情况下允许无线电话同步到第一级同步。在随后的细同步期间，就可以在单一符号比特内捕获；同时提供更精确的频偏。虽然不是排它的，但是本发明的首先考虑的主题是快速精确地获得粗同步。
当无线电话24上电时，该装置就开始粗同步程序。粗同步处理将时间(和频率)的不确定性降低到一个选定的等级，接下来也就降低了完成细同步所需的操作数目。在一个实施例中，无线电话在上电时搜索所有可能的主载波。主载波是复接控制信道的载波。在另一个实施例中，假设无线电话在接收寻呼信号以前已经使用标称控制信道在一个地区中预登记。
在任何一个实施例中，系统同步都是通过使用包括预定同步突发图样的传输流中的高功率突发实现的。突发和其它控制信道以及业务信道(如广播控制信道(BCCH)上的高功率广播信号、寻呼信道或其它传输信道)是时分复用的。
虽然在相关专利申请中阐述了一系列方案以便快速并且在高余量上完成粗同步以促进检测，但是本发明所针对的是进一步改进这种技术。
粗同步的常规技术(例如有关专利申请中使用的功率分布方法或“线性”功率量度)计算离散功率抽样和，以便计算组成同步图样的多个仓中累计的能量大小。
应该理解，作为时隙子单元的仓组成其中多个离散的、连续的比特。典型地在一个时隙中有4个仓。因此，给定仓中累计的能量大小是其中各个相应比特中累计的能量和，例如，在常规的156.25比特格式的时隙中，一个仓可以组成该量的一部分，对于每时隙4个仓，该部分等效于大约39.0625比特。因此，对所有的离散比特能量求和，以便计算特定仓的能量。由于给定时隙内的高功率突发填充其中的全部4个仓，高功率突发信号的能量和被认为高于正常突发。
在给定比特i接收的信号抽样可以以一个复数ri代表，其中
ri＝si＋ni (1)
应该理解，si是ri的信号成分，ni是ri的噪声成分。更具体地，si＝SI，i＋jsQ，i，这里SI，i代表同相信道的信号成分，j代表负一的虚平方根，sQ，i代表正交相位信道的信号成分，它与同相信道正交。类似地，ni＝nI，i＋jnQ，i。常规的线性变换功率量度方法，利用仓量度(B)，用于以如下公式计算仓1中累计的能量：B1=Σi=xy|ri2=Σi=xy(|si|2+sini*+nisi*+|ni2)----(2)]]>
这里的求和是在仓1中各个比特上的接收信号抽样上进行的，即从开始仓1的初始比特x，到结束仓的比特y。“*”意味着所示变量的复共轭。正如从公式(2)中显而易见的，常规的功率量度方法通过在平方之后引入|ni|2项，增强了噪声成分。结果，当ri的信噪比很小时，即ni很大的噪声信道，|ri|2具有更小的信噪比。然后将前述的仓量度B用于计算其它仓中的能量，例如其它同步仓，而且所得到的和用于对同步时间进行判决。对于仓量度(B)能量和的进一步讨论见前述的有关的共同未决专利申请。
或者，可以通过如下公式使用积分计算仓1中累计的能量：B1=∫xy|r(t)|2dt=∫xy(|s(t)|2+s(t)n*(t)+n(t)s*(t)+|n(t)|2)dt----(3)]]>
这里r(t)代表t＝x到t＝y范围内积分的函数，即在其中的各个比特上，即从开始比特x到结束比特y。但是，应该理解，尽管求和公式计算并累计了仓1内每个比特上的离散能量值，但是积分技术进行了不抽样的仓能量计算。类似地，函数s(t)和n(t)分别代表r(t)的信号和噪声函数，而且它们相应的复共轭函数，s*(t)和n*(t)，在相同范围上积分。
本发明试图通过使用接收信号功率的非线性变换—特别是对数量度—作为粗同步的量度，尽可能地减少信号的噪声成分。因此，不是根据公式(2)线性地计算各个仓的能量并放大了噪声成分的影响，而是建议了一个不同的公式：B1=Σi=xylog|ri|2=2Σi=xylog|si+ni|----(4)]]>从公式(2)和(4)的比较显然可见，当ri具有小于零的C/N时，log(|Si＋ni|)的信噪比高于ri的。因此，在粗同步过程中通过使用上述非线性、对数量度(4)将信号中的噪声贡献将会被抑制或最小化。
或者，如同公式(3)，可以使用积分：B1=∫xylog|r(t)|2dt=2∫xylog|s(t)|dt-----(5)]]>也抑制了噪声成分。
此外，通过在AceS系统中使用的这种技术，已经发现蜂窝电话24可以在大约6个复帧、即大约2.82秒内捕获最初的粗同步，比前述的有关中请中提出的线性功率量度方法提高大约40％的时间，后者需要10个复帧和大约4.7秒。
其它适于本发明目的的非线性变换(F)包括、但不限于：接收信号抽样的绝对值(即“模”)可通过取接收信号抽样ri乘积的平方根来得到，其中ri可以与它的复共轭rj*组成一个复数：Fi=riri*------(6)]]>
上面变换(6)的一般化得到第n次根：
Fi＝|riri*|1/n (7)
接收信号功率的对数，当一般化时变成：
Fi＝log|riri*|1/n (8)
而且上面变换(6)到(8)的各个函数等效为：F=r(t)r*(t)-------(9)]]>
F＝|r(t)r*(t)|1/n (10)
F＝log|r(t)r*(t)|1/n (11)
以及上述变换的合成。
通过使用上述任一个非线性变换公式，降低了信号内噪声成分的贡献，得到了较好的信号。正如共同未决申请中更全面描述的，当对比特流(组成控制信号传输)的给定部分以及其它非均衡地设置的部分的仓量度求和时，累计能量的大小可与整个复帧中其它这种求和相比较，并且最大能量值可代表所选的最佳图样匹配。由于复帧边界可能接近该选择，精确的同步、即实现精确的逐比特同步的烦琐而且计算量大的比特移位过程，变得非常容易了。
对于诸如AceS中的移动卫星应用，要求-10dB的同步，已经发现接收信号功率的对数变换(3)是上述噪声抑制特性的最佳选择。
本发明的同步改善还通过使用结合上述非线性量度的迟-早检测而变得更有利。由于同步依赖于高功率突发图样，其它高功率突发在相同控制信道载波上的出现可能引起同步问题。通过使用在本发明人之一的上述相应专利申请(在这里被结合作为参考)中揭示的迟-早检测量度，可以减轻这些问题。
现在参考附图的图2，它表示无线电话24(如蜂窝电话)的一部分的框图，该部分接收诸如图1所示的网络控制中心18通过收发机22向它发射的控制信号。无线电话24包括接收机电路27，它可以调谐以便通过天线28检测并接收向无线电话发射的信号。代表接收信号的信号被送到选择器30，为分析选择部分的输入接收信号。具体地，选择器30将控制信号分为独立处理的各个相继的部分，这将在下面描述。然而应该理解，选择器30可以使选择处理更集中致力于高功率突发，以便集中搜索表示复帧边界的初始同步突发。
随后使用前述非线性功率量度计算所选部分中的累计能量，如给定仓中的能量。功率计算器32对仓中的相应比特中的累计能量求和。然后，将这个能量和送到累加器34，它将新和与以前的和相加，例如根据共同未决专利申请中阐述的揭示，使用迟-早检测计算不同仓中包含的能量。随后，使用移位寄存器38将累加器34中的和与存储器36中存储的数据比较，如果符合给定条件(例如累加器34中的和大)，累加器34中的和可以和存储器36交换。有关特定仓的其它信息(例如，索引信息)也可以存储在存储器36中以参考引用其中的具体值。通过这种方法，可以确定表示作为同步突发一部分的最佳似然、标记复帧边界的控制数据比特流中的给定仓，并开始很好的同步。
应该理解，虽然在每个复帧中发射的同步突发图样可能包括所有高功率同步突发，但是其它高功率突发(如来自广播信道的)也可以起同步突发的功能。其原因是，本发明中使用的能量累计技术不能鉴别能量源、而仅仅是它的出现。因此，当通常以普通较低功率电平发射的广播信道以全功率广播时，也担当同步突发。
前面的描述是本发明实现的优选实施例，并且本发明的范畴不应该被这个描述所限制。本发明的范畴是由下面的权利要求所定义的。